JPH0225707A - 表面凹凸パターン計測方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、加工されたロールなどの表面凹凸パターン計
１ｊ１１方法およびその装置に関し、圧延ロール等の加
工表面の凹凸パターンが目標通りに加工されているかど
うかを迅速に、かつ精度よく自動ホ１１定するための計
測方法およびその装置に関する。

〔従来の技術］ 自動車等の外板として使用される鋼板は、加工、塗装等
のプロセスを経て最終的には自動車の外観を支配する重
要な構成要素となる。

近年、自動車の高級化に伴ない、一般の消費者が外観の
良好さ、美観など鮮映性を要求する傾向が強（なりつつ
ある。この鮮映性に対して、塗装前の鋼板表面の粗度や
凹凸のパターンなどが大きな影響を及ぼすと云われてい
る。従って、鮮映性向上のために、より適切な表面凹凸
パターンを有する鋼板を製造する必要性が生じてきた。

一般に自動車用鋼板は、調質圧延ライン（スキンパスラ
イン）において、適切な表面粗さを付加されて製造され
る。

このような鋼板の表面粗さは、製造プロセスの条件等に
も左右されるが、Ｉ４板を圧延する圧延ロールそのもの
の表面粗さによる影響が大きい。

従って、従来からｆｌｉｌ坂の目標表面粗さに応じて適
切な圧延ロールが用いられてきた。

従来、調質圧延ロールの表面を粗面に加工する方法とし
てショツトブラスト法などが用いられていた。しかし、
ショツトブラスト法では表面粗度が不規則で一様性に欠
け、上記要求を満たさないので、近年、これに代り、連
続波炭酸ガスレーザ等の高エネルギー源を用いてロール
表面をレーザダル加工する方法が開発され、普及されつ
つある。

この方法は例えば、回転しているロール表面に回転チョ
ッパを用いてレーザビームを断続的に照射し、ロールの
回転数、チョッピング周波数、レーザ出力等を制御する
ことにより、ロール表面に適切な凹凸パターンを形成す
るものであり、ロール表面の粗度値Ｒａ＃５１〜３ｕｍ
程度のものを得ることが可能である。ここでＲａは中心
線平均粗さを表し、粗さ曲線ｙ＝ｆ　（ｘ）からカット
オフ値の３倍以上のｌＢ１１定長さ２をとったとき、次
式を単位ｕｍで表した値である。

Ｒａ＝　　（１／ｇ）　　ｌ　　　Ｉ　　ｆ　　（ｘｉ
　　Ｉ　　ｄｘしかし、上記従来のレーザダル加工方法
では、実際に形成された凹凸のパターンが測定されてい
ないため、目標粗度をもつロールを製造すること、これ
らのロールを分類し適時適切に使用すること、などのい
わゆる適切なロール管理ができないという問題がある。

現状では、ロールの粗度を測定する方法として。

■ロール端部で試しうちした加工部材の粗度パラメータ
をハンディな触針式粗さ計を用いて測定する方法、 ■ロールを静止させて、その表面の微細形状のを取りを
行ない、その型を３次元触針式粗さ計により測定する方
法、 ■顕微鏡を直接ロールに押しあてて、目視にて凹凸パタ
ーンを確認する方法 などがとられていた。

しかし、これらの方法は、目視による方法では適切な定
量評価をすることができないという欠点があり、また触
針式粗さ計で目標の精度を得るためには測定に長時間を
要するという問題点かあった。

物体表面の微少な凹凸すなわち粗さは主として高さ方向
の凹凸分布情報と２次元的な面方向の周波数情報とから
構成される７ これらの粗さ情報は、粗さを定義づける触針式粗さ計に
よるものの他は、光の散乱を利用する方法、スペックル
法、光切断法などがあり、例えば鋼板表面の粗度を測定
するものとして特許第１２７８１９６号や特公昭６２−
４６８０５号などが挙げられる。

しかし、これらの手法はショツトブラスト法などにより
形成されたランダムな粗度の統計的な性質を推定するの
には適しているが、レーザダル加工ロールのように規則
的な面を測定する際には適切でない。そこで特公昭６２
−４６８０５号にも用いられている表面の凹凸部の明暗
パターンの解析による手法に着目した。

〔発明が解決しようとする問題点］ 本発明はレーザビームを利用した方法などによりロール
などに加工された表面上の規則的な凹凸パターンの３次
元的な形状を迅速高精度に測定する装置を提供し、加工
状態を杷握することを目的とする。

本発明の他の目的は表面加工の作業性を高め、低コスト
の加工作業を提供することである。

さらに本発明の他の目的は上記の方法を好適に実施する
ことのできる装置を提供することである。

〔問題点を解決するための手段１ 上記目的を達成するための本発明方法は、加工されたロ
ール等の表面の凹凸パターンを計測するに当り、 ■　加工表面に高輝度光源から照射する光を２系統の光
ファイバで導光して２つの胃なる入射角で照射し、それ
ぞれの条件で表面に生じる凹凸部パターンの明暗模様の
拡大像を搬像する工程、■　得られたロール表面パター
ンの明暗画像を画像Ｍ積処理装置により解析して表面凹
凸部の２次元的位置関係および／または各凹凸部の高さ
分布状況を演算１表示する工程 からなることを特徴とする表面凹凸パターン計測方法で
ある。

また本発明方法を好適に実施することのできる本発明の
装置は。

■　加工表面に高輝度光を照射する光路を２系統に分岐
する切換ミラーを内蔵した高輝度光源 ■　検出対象近傍に配置した検出ヘッド部まで前記２系
統の光を導く光ファイバ ■　光ファイバから照射される光を、それぞれが一定の
２つの異なる入射角で加工表面に照射する反射鏡 ■　照射光により形成された加工表面の凹凸パターンの
明暗模様を一定倍率拡大し、光学系を通して撮像する撮
像装置 ■　上記反射鏡、搬像装置が内蔵された上記検出ヘッド
部が測定対象加工表面に対して一定位置になるように、
それぞれが接触して相対的な一定間隔を保つ接触部 ■　搬像装置の焦点を調節する遠隔焦点合わせ機構 ■　前記接触部付検出ヘッド部を測定対象の垂直方向に
対して接触または遠ざける方向に移動させるスライド機
構 ■　前記検出ヘッド部が測定対象に接触する際、一定の
圧力で押し当るように制御する圧力センサおよび圧力制
御機構 ■　前記撮像装置により得られた画像を解析、演算する
画像蓄積処理装置 ［相］　前記切換ミラーの動作および前記画像蓄積処理
装置、前記遠隔焦点合わせ、前記圧力制御機構等を制御
する検出制御装置 ■　前記画像蓄積処理装置による凹凸パターン情報等の
解析演算値等を出力する出力装置からなることを特徴と
する表面凹凸パターン計測装置である。

［作用１ 本発明によれば、加工直後の表面凹凸パターンの２次元
的な配置情報、例えばロール周方向や長手方向のピッチ
やとなり合う加工クレータの位相づれ等や高さ情報であ
る各クレータ部の端部盛り上り状態の均一性などの３次
元形状情報を、迅速に自動測定することができる。

従って、従来のように作業員が目視で検査したり、触針
式粗さ計を用いた長時間を要する検査をする必要がなく
なり、得られた情報を加工作業へ反映することにより、
円滑な加工作業を行うことができる。

［実施例１ 本発明の一実施例として測定対架か、圧延用ロールであ
り、加工方法が炭酸ガスレーザをチョッピングしてロー
ル面に焦光明吋するレーザダルかａ工である場合につい
て述べる。

第３図にレーザダル加工実施後の加工表面クレータの２
次元的配置模擬図を、第４図にそのクレータの形状を３
次元触針式粗さ計で測定した結果を示す。第４図から、
この実施例ではクレータ周部の盛り上りが全周にわたっ
ておらず不均一であることが分る。

この周部の盛り上りをリングと称し、盛り上り部の全周
に対する割合をリング率とする１例えば第５図に示すよ
うに盛り上り部（リング）ｌの中心角をβとしたとき、
リング率γを、 γ（％）＝（β／３６０）ｘｌＯＯ と定義する。

本発明の目的は第３図に示すパラメータｓＬ、Ｓｍ、α
と第３図に示すパラメータβを、高精度かつ迅速に測定
することである。第３図は加工表面１例えばロール表面
のクレータ２の配列寸法を示したものである。

第り図に本発明方法を示すブロック図、第２図にロール
のダル加工装置の正面図を示す。

第２図に示すように、波加工ロール１０は図示しないロ
ール回転機構を備えたロール回転用架台１２上に回転自
在に設置される。レーザ発振器１４から照射されたレー
ザビーム１６はミラー１８によって方向を変えられた後
レーザ加工機ヘッド２０へ送られる。加工機ヘッド２０
はレール２２上に設置されており、ロールの長手方向お
よびロール垂直方向へ、左右向後移動可能なようにＮＧ
制御位置決め装置２４を備えている。

加工機ヘッド２０により凹凸が形成されたロールの加工
面の検査は次のようにして行われる。

加工された後、回転を止められたロール表面にスライド
機構３０により検出ヘッド部３２が接触部３４を間にし
て押し当てられる。この時、圧力センサ３６により接触
圧力がモニタされ、圧力制御機構３８によって押し付は
圧力が目標通り一定に保たれる。

次に切換えミラー４０を内蔵した高輝度光源４２から発
せられた光は先ず光ファイバ（Ａ）４４を通じて反射鏡
（Ａ）４６に投光され、約２０度の角度でロール表面に
照射される。約２０度としたのはロール周方向に対して
この角度で落射すると、ロール非加工面の研削模様と加
工凹凸部とのコントラストが明瞭となり、凹凸部パラメ
ータ算出時に、２値化条件を得やすくなるためである。

この条件にて遠隔焦点合わせ機構４８によって焦点合わ
せをされて、凹凸部の拡大画像が）最像装置により撮像
される。

引き続き高輝度光源内の切換えミラー４０を切換えて、
もう一方の光ファイバ（Ｂ）５４に光を入射させ、反射
鏡（Ｂ）５６に導光する。この反射鏡５６はリング状に
なっており、光ファイバ５４の端部もそれに合わせて全
方向からミラーに照射される。ミラーによって照明光は
前記反射鏡の場合より大きな入射角度でリング状の全周
方向からロールに照射され、凹凸クレータの盛り上り端
部の明暗パターンが得られる。このパターンは前記の照
射条件のときと同様にして、撮像装置６０にて撮像され
る。

以上の２つの照射条件にて、それぞれ得られた撮像パタ
ーンは画像蓄積処理装置６２に送られ、所定の演算処理
が施されて、凹凸パターンの２次元的寸法ｆ＊報が得ら
れる。

この画像蓄積処理装置はフレームメモリと高速画像処理
基板などを組込んだマイクロコンビ１−夕等から構成さ
れる。

このようにして得られた結果は、プリンタ、ハードコピ
ーなどの出力装置６４に出力、表示される。

以上の一連の動作、機能全体を制御するものとして検出
制御装置７０があり、切換えミラーの切換えや撮像のタ
ンミング等の他、検出ヘッド部の動作なども含めて、測
定システム全体を制御、管理する。

ここまでに述べた本発明方法のフローチャートを第６図
に、画像処理手順を第７図に示す。

先ず、初期条件としてレーザビームの強度、焦点位置、
ロールやチョッパの回転数、レーザビーム位置送り速度
等のロール加工条件を設定し、この初期加工条件によっ
てロール面を加工する。

加工状態を検査するために表面凹凸パターンを計測する
際には、加工を中断してロールの回転を止め、測定装置
をロールに近接させ、ロールに一定位置になるように接
触させる。

次に高輝度光源からの光を２つの照射条件にて加工表面
に照射して凹凸部の拡大明暗模様を撮像する。得られた
画像は後述する処理、演算などを施されて、各クレータ
のロール長手方向および周方向のピッチ（それぞれＳＬ
、Ｓｍ）や位相ずれα、さらにはリング率γが得られる
。これらの値が目標管理範囲内であるかを判断して必要
であれば、再度の初期設定変更を行うなどして加工を継
続する。

次に第７図に示す画像処理手順を以下に説明する。

ここで画像１とは光ファイバ（Ａ）と反射鏡（Ａ）とを
組合わせ、深い角度で一方向から加工表面を照射したと
き得られる画像であり、第３図に示すようにクレータ部
のみが黒い像である。

一方、画像２とはもう一組の光ファイバ（Ｂ）と反射鏡
（Ｂ）とを組合わせて、より浅い角度で全方向から照射
したときの像であり、第８図に示す如くクレータ端部の
みが明るい像である。

先ず画像ｌの２値化方法としては、例えば全画像の濃度
ヒストグラムを第９図に示す如く解析する方法が考えら
れる。

すなわちクレータ部が暗部でありクレータ以外の素地部
が明部であるのでヒストグラムを作ると第９図のように
ピークを２つ持つパターンが得られる。２値化レベル値
Ｌｂはクレータ部の平均的輝度Ｌｃと素地部の平均的な
輝度であるＬｓ部の中間にあるので、最も暗い輝度Ｌａ
をもとに、例えば、 Ｌ　ｂ　＝　Ｌ　ａ　＋　Ｋ　・（Ｌ　ｃ　−Ｌ　ａ　
）　−（１）なる式（１）により得られる値を用いて自
動的に画像ごとに選択することが可能である。このよう
にすれば加工表面パターンの状態や光源輝度に左右され
に＜＜最適な値を常に得ることができる。この場合にの
値としては３／２または７／４等が適当である。次にこ
のようにして得られた２値化レベルをもとに２値化され
た撮像パターンから第１０図に示すごとく水平、垂直方
向に加算してクレータ部分の投影像を作成し、さらに適
当な輝度レベルでスライスすることにより、クレータの
間隔すなわち、ロール長手および周方向のピッチやとな
り合うクレータの位相ずれαなどを得ることができる。

位相αはロール長手方向ピッチＳＬと、隣り合うクレー
タの中心間距離 ΔＸｉ　　（ｉ＝１．２．・・・）とからａｉ＝ｔａｎ
−’（ΔＸ　ｉ／５Ｌ）−（２）により算出される。

クレータが複数あるために、ピッチＳＬ、Ｓｍ等は複数
算出されるが、それらを平均して代表値としてもよい、
この方法によって自動算出した例では拡大値に定規を当
て、手動計測した場合と比較して±５％以内の誤差内で
一致した。

次にリング率γの算出方法について以下に説明する。

第８図に示したようにリングが均一でなく、一部分が欠
けていると全方向から照射した光がクレータ内部を光ら
せることになる。そこで画像１により同定されるクレー
タ中心位置とピッチ等から、適当な大きさのマスクをク
レータにかけ、そのマスク内だけで２値化処理を行う、
マスク形状としては例えば第１１図に示すように、２つ
の正方形に囲まれる範囲内とする。このようにすれば、
クレータ中心部の明部は２値化されず、クレータエツジ
部分のみが明部となり、その他の部分が暗部となる。マ
スクの大きさはＳＬやＳｍなどの算出値をもとに設定す
れば良い。

さらに各象限内での明部の画素の位置座標を調べる。

この場合、各クレータの中心を原点に座標変換を行い、
ｘｙ座標系をとる。第１象限では明部の画素のうちＸ座
標の最大値をＸｉ、３’座標の最小値をＹｌ、第２象限
では明部の画素のうちＸ座標の最小値をＸ２．３’座標
の最小値をＹｌ、同様に第３象限では明部の画素のうち
Ｘ座標の最大値をｘ３、ｙ座標の最小値をＹ３、第４象
限ではＸ座標の最大値をｘ４、ｙｍ標の最大値をＹ４な
どとする。

Ｘ軸から各象限内での明部端部座標 （Ｘｉ、Ｙｉ）（ｉ＝１〜４） までの角度をθｉとすれば、 となり、クレータが属する象限内での最大角、最小角を
それぞれθｍａｘ、θｍｉｎとすれば、クレータがなす
角βは、 β＝θｍａｘ−θｍｉｎ　　　　　　　・・・　（４）
となる、従って、リング率γは（３）（４）式から得ら
れることになる。この場合、各象限内でのフレーク明部
の端部を単純に最大値や最小値で代用しているが、明部
のつながりを判断に入れて、幅を持った明部画素群の中
心部分のみからリング形状を解析すれば、より精度の向
上が見られる。

一例として以上の方法として、リング率を自動演算した
場合、触針式粗度計の解析や拡大写真画像の目視判別な
どと比較して±１５％程度の誤差内で同等の値が得られ
ることを確認した。

以上より、クレータの２次元位置情報や、リング率が画
像計測にて高精度にしかも迅速に得られることになり、
本発明による方法および装置が実用上十分性能を満たす
ことが実証された。

［発明の効果］ 加工直後に表面凹凸パターンの２次元的位置情報やクレ
ータリング率が迅速かつ高精度に自動測定されるので以
下の効果が得られる。

■設備のダウンタイムが減少して生産性が向上する。

■作業員の労力を減らし危険作業から解放すると共に省
力にも結びつく。

■目標通りに安定したロール加工ができるので製品の歩
留り向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図はレーザ
を用いたダル加工方法および装置構成を示す模式図、第
３図は加工表面クレータの２次元的配置模凝図、第４図
は３次元触針粗さ計によるクレータ測定例、第５図はク
レータリング率の説明図、第６図は本発明方法のフロー
チャート、第７図は画像処理手順のフローチャート、第
８図はクレータリング部の画像説明図、第９図は画像濃
度ヒストグラム、第１Ｏ図はクレータピッチ演算方法説
明図、第１１図はクレータリング率演算方法説明図であ
る。 ｌＯ・・・ロール １２・・・ロール回転用架台 １４・・・ロール発振器 １８・・・ミラー ２２・・・レール ３０−・・スライド機構 ３４−・・接触部 ３８・・・圧力制御機構 ４２・・・高輝度光源 ４４・・・光ファイバ（Ａ） ４６・・・反射鏡（Ａ） ４８・・・遠隔焦点合わせ機構 ５４・・・光ファイバ（Ｂ） ５６−・・反射鏡（Ｂ） ６０・・・撮像装置 ６２・・・画像蓄積処理装置 ６４・・・出力装置 ７０・・・検出制御装置 １６・・・レーザビーム ２０・・・加工機ヘッド ２４・・・位置決め装置 ３２・・・検出ヘッド部 ３６・・・圧力センサ ４０−・・切換えミラー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　加工されたロール等の表面の凹凸パターンを計測す
   るに当り、 （１）加工表面に高輝度光源から照射する光を２系統の
   光ファイバで導光して２つの異なる入射角で照射し、そ
   れぞれの条件で表面に生じる凹凸部パターンの明暗模様
   の拡大像を撮像する工程、 （２）得られたロール表面パターンの明暗画像を画像蓄
   積処理装置により解析して表面凹凸部の２次元的位置関
   係および／または各凹凸部の高さ分布状況を演算、表示
   する工程 からなることを特徴とする表面凹凸パターン計測方法。 ２（１）加工表面に高輝度光を照射する光路を２系統に
   分岐する切換ミラーを内蔵した高輝度光源 （２）検出対象近傍に配置した検出ヘッド部まで前記２
   系統の光を導く光ファイバ （３）光ファイバから照射される光を、それぞれが一定
   の２つの異なる入射角で加工表面に照射する反射鏡 （４）照射光により形成された加工表面の凹凸パターン
   の明暗模様を一定倍率拡大し、光学系を通して撮像する
   撮像装置 （５）上記反射鏡、撮像装置が内蔵された上記検出ヘッ
   ド部が測定対象加工表面に対して一定位置になるように
   、それぞれが接触して相対的な一定間隔を保つ接触部 （６）撮像装置の焦点を調節する遠隔焦点合わせ機構 （７）前記接触部付検出ヘッド部を測定対象の垂直方向
   に対して接触または遠ざける方向に移動させるスライド
   機構 （８）前記検出ヘッド部が測定対象に接触する際、一定
   の圧力で押し当るように制御する圧力センサおよび圧力
   制御機構 （９）前記撮像装置により得られた画像を解析、演算す
   る画像蓄積処理装置 （１０）前記切換ミラーの動作および前記画像蓄積処理
   装置、前記遠隔焦点合わせ、前記圧力制御機構等を制御
   する検出制御装置 （１１）前記画像蓄積処理装置による凹凸パターン情報
   等の解析演算値等を出力する出力装置からなることを特
   徴とする表面凹凸パターン計測装置。